巖石含水狀態對巖石膨脹力影響的研究

張廷雷 李蓉侖 楊 鴻 方 明 李 玲

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

膨脹巖指含有較多親水性礦物的巖石，當含水率發生變化時，巖體會發生較大體積變化的一類特殊巖石。我國膨脹巖的分布十分廣泛，全國有多個省、區存在膨脹巖。從膨脹巖形成的地質年代劃分，早自上二疊統，晚到上第三系都有。膨脹巖是對工程危害較大的一類軟巖，是巖土工程領域中的一個重點研究對象[1]。膨脹巖的工程性質明顯區別于硬質巖體和軟弱土體，尤其是在水環境的作用下，巖體內部變形受到約束，其內部結構的變化就會產生膨脹應力，當膨脹導致的變形受到約束較小或應力足夠大時，膨脹變形便會發生[2]。近幾年，成渝客運專線、西成鐵路等均出現了巖石膨脹性導致圍巖遭到破壞，承載力不足，產生掌子面失穩，拱頂下沉增大的現象，使得鐵路建設對巖石的膨脹性愈加重視，對巖石膨脹性試驗的要求也越來越嚴格。這使得確保巖石膨脹性試驗方法的標準性、一致性和試驗數據的準確性、可靠性顯得尤為重要。

膨脹力試驗是測定膨脹巖在水中浸泡情況下產生膨脹應力的試驗方法。膨脹巖是在水環境的作用下發生膨脹的，試驗前，其含水狀態的不同對巖石膨脹力試驗結果影響顯著。然而，相關巖石試驗規程規范[3-5]對膨脹力試驗樣品含水狀態的要求并不明確，試驗方法的標準性、一致性較差，導致試驗數據的準確性、可靠性差，進而影響膨脹巖判定及膨脹巖工程的安全。目前，巖石含水狀態對膨脹力試驗結果影響的相關研究較少，對膨脹力試驗結果影響的規律和程度不能確定，是否會嚴重影響到巖石膨脹性判定，甚至危害到工程結構的穩定性等問題需進一步研究。

本文選取具有代表性的巖石樣品57組進行不同含水狀態的膨脹力試驗，同時測試飽和吸水率、自由膨脹率、含水率等參數。通過對比分析，研究含水狀態對巖石膨脹力試驗結果的影響程度，以期為巖石膨脹力試驗及解決工程中膨脹巖帶來的問題提供指導。

1 試驗樣品、儀器設備及試驗方法

1.1 試驗樣品

選取部分需要進行膨脹性判定的巖石樣品共57組，以巖石試樣開展含水狀態對巖石膨脹力試驗結果影響的研究。其中，硬質巖(包括板巖、花崗巖、灰巖、石英巖、玄武巖)12組，砂巖12組，泥質砂巖12組，泥巖21組。對巖石樣品進行天然、風干、烘干、飽和4種含水狀態的膨脹力試驗，試件尺寸為φ50 mm×20 mm。風干時，將巖石試件放于(40±5) ℃的鼓風干燥箱中7 d。烘干、飽和按照TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗規程》方法進行，飽和采用真空抽氣法。

1.2 主要儀器設備

(1)鉆石機、切石機、磨石機等試件加工設備。

(2)直角尺、放大鏡等試件檢查設備。

(3)巖石膨脹壓力試驗儀[6]。

(4)游標卡尺：分度值0.02 mm。

(5)千分表：量程5 mm，分度值0.001 mm。

(6)鼓風干燥箱：24 h內溫度能保持在105 ℃～110 ℃范圍和7 d內溫度能保持在(40±5) ℃范圍。

(7)真空飽水儀。

1.3 試驗方法

按照TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗規程》進行飽和吸水率試驗和含水率試驗，按照TB 10102-2010《鐵路工程土工試驗規程》進行自由膨脹率試驗。

按照TB 10115-2014《鐵路工程巖石試驗規程》第9.3款進行巖石膨脹力試驗，并應符合以下要求：

(1)膨脹力試驗前，應測試巖石樣品的含水率。

(2)將試件裝入內壁涂有凡士林的金屬套環內，并在試件上下端分別放置一張薄型濾紙和金屬透水板。

(3)安裝加壓系統和測量試件變形的千分表，應使儀器各部位和試件在同一軸線上，不得出現偏心。

(4)對試件施加產生0.01 MPa壓力的荷載，測記千分表讀數，每隔10 min測讀1次，直至連續3次讀數不變。

(5)向容器內緩緩地注入蒸餾水，直至淹沒上部透水板。立即清零壓力值，觀測千分表和壓力指示器讀數的變化，保持試件高度在整個試驗過程中始終不變。

(6)開始時每10 min讀數1次，連續30 min讀數不變時，每小時讀數1次，連續3 h讀數不變或持續下降時，則認為穩定并記錄試驗壓力。浸水后總試驗時間不得少于48 h。

(7)試驗過程中，應保持水位不變，水溫變化不得大于2 ℃。

(8)結束后，應描述試件表面的泥化和軟化現象。

2 試驗結果及分析

2.1 含水狀態對巖石膨脹力測試值的影響分析

選取57組巖石樣品，進行天然、風干、烘干、飽和4種含水狀態的膨脹力試驗、飽和吸水率試驗和自由膨脹率試驗，按巖石硬度由硬到軟(硬質巖-砂巖-泥質砂巖-泥巖)的順序，繪制4種含水狀態的膨脹力曲線(如圖1所示)和含水率曲線(如圖2所示)。各含水狀態下，57組巖石膨脹力平均值從小到大的變化趨勢如圖3所示。57組巖石樣品在不同含水狀態下，出現膨脹力最大值的含水狀態的占比如圖4所示。

圖1 不同含水狀態巖石膨脹力試驗數據圖

從圖1可以看出，各巖性飽和狀態巖石樣品的膨脹力很小，基本趨近于0。硬質巖石在任何含水狀態下均沒有膨脹力，為非膨脹巖。含水狀態對膨脹力測試值的影響顯著，烘干狀態和風干狀態的膨脹力測試值明顯高于飽和狀態的膨脹力測試值。不同巖性巖石烘干狀態下的膨脹力值大于飽和狀態下的膨脹力值的程度不盡相同，砂巖和泥巖更顯著，這說明砂巖和泥巖的吸水膨脹性更顯著。

圖2 不同含水狀態巖石膨脹力試驗前含水率圖

從圖2可以看出，硬質巖石在任何含水狀態下的含水率均較小，這是因為硬質巖石的結構密實，孔隙率小。烘干狀態和風干狀態下，巖石樣品的含水率很小，理論上接近0，此時巖石的膨脹力測試值較其他狀態更大。飽和狀態和天然狀態下，巖石樣品的含水率波動較大，其中泥巖的飽和含水率最大，飽和狀態與烘干或風干狀態的膨脹力差值也較大，其膨脹力受吸水膨脹的影響程度較大。圖1和圖2中，A處、B處飽和狀態的含水率較小，飽和狀態與烘干狀態含水率的差值相對較小，說明巖石樣品結構較密實，各含水狀態下吸水率均較小，膨脹力值也較小。

圖3 不同含水狀態下膨脹力平均值的變化趨勢圖

從圖3可以看出，在飽和狀態、天然狀態、烘干狀態、風干狀態下，膨脹力平均值依次增大。飽和狀態下的膨脹力平均值最小，為0.77 kPa，風干狀態下的膨脹力平均值最大，為63.94 kPa，為飽和狀態的83.0倍。烘干狀態比風干狀態膨脹力平均值略低，為59.77 kPa，為飽和狀態的77.6倍。

圖4 不同含水狀態下膨脹力最大值占比圖

從圖4可以看出，膨脹力最大值出現在風干狀態的占比為42%，出現在烘干狀態的占比為37%，出現在天然狀態和飽和狀態的占比均為0。總體表現為巖石樣品含水率越小，其膨脹力越大，可見，含水狀態對膨脹力測試值的影響非常顯著，飽和狀態與烘干狀態和風干狀態的差異非常大。這主要是因為飽和狀態和烘干狀態是巖石含水狀態的兩個極端狀態。理論上，飽和狀態巖石中的所有孔隙均被水填充，巖石無法再吸水；烘干狀態巖石中的所有水分均被烘出，巖石內部所有孔隙均暴露在空氣中，當再次遇水時，會出現持續的吸水膨脹趨勢，產生膨脹壓力。

受樣品干縮濕脹的特性的影響，具有膨脹性的巖石在烘干狀態、風干狀態至再次浸水的過程中，會出現持續膨脹的趨勢，故烘干狀態和風干狀態時的膨脹力較大。同時，巖石膨脹力在風干狀態下出現最大值的概率高于在烘干狀態下，風干狀態下巖石膨脹力的平均值也大于烘干狀態下的膨脹力平均值。可見，長時間的干燥環境致使巖石的自然風干會導致巖石內部毛細水更充分排除[7]，當巖石再次吸水，水分再次進入巖石內部的毛細孔隙時，便產生更大的應力，膨脹力測試值也更大。

因此，巖石的膨脹力值除受巖石本身的膨脹特性及結構特性的影響外，試驗前的含水狀態對膨脹力值的影響也十分顯著。烘干或風干狀態的巖石再次遇水后，會出現持續膨脹的趨勢，與天然狀態相比膨脹力顯著增大。鑒于含水狀態對巖石膨脹力的試驗結果影響較大，試驗過程中應對試驗前巖石的含水狀態進行規定或通過研究確定各含水狀態的換算關系，以免含水狀態的不同對巖石膨脹力試驗結果及巖石膨脹性判定產生影響。在實際工程中，若巖石因氣候條件變得干燥，含水率變小，當再次大量吸水后，將產生巨大的膨脹力，對實體工程造成損害。

2.2 巖石膨脹力與含水比的相關關系分析

天然狀態的巖石因所含水分填充巖石自身孔隙的程度不同，膨脹力測試值也存在較大差異。含水率與飽和吸水率的比值稱為含水比，表征著巖石含水狀態接近飽和的程度，即水分填充巖石自身孔隙的程度。含水比為0%時，巖石內部沒有水分，孔隙全部暴露在空氣中，這便是烘干狀態。隨著含水比的增大，巖石內部孔隙逐漸被水分填充，直至含水比達到100%，巖石內部孔隙全部被水填充，這便是飽和狀態。

含水狀態對巖石膨脹力值的影響顯著，對不同巖性的巖石膨脹特性的影響一致，即風干狀態和烘干狀態的膨脹力值>天然狀態的膨脹力值>飽和狀態的膨脹力值。天然含水狀態因含水比的不同，巖石膨脹性不同，膨脹力測試值也不同。含水比主要由含水率和飽和吸水率決定。57組巖石試樣刪除飽和吸水率小于4的，剩余38組巖石試樣在天然狀態下的膨脹力與含水比通過最小二乘法擬合所得的關系曲線[8-9]，如圖5所示。曲線明顯呈現出膨脹力隨著含水比的增大而減小的趨勢。因試驗數據巖性較多，性質不穩定，固相關系數R2僅為 0.460 2，相關性差。

圖5 天然狀態下巖石膨脹力與含水比相關關系曲線圖

為了研究巖石膨脹力測試值與含水比的相關關系，選取材質較為均勻，一致性較好的2組泥巖(編號為45號和46號)分別進行6種含水率下的膨脹力試驗。依次對試件采取烘干、40 ℃烘箱烘干24 h、自然風干24 h、天然、自由浸水24 h、抽真空飽和等處理過程，使巖石具有不同的含水率，并對巖石試驗前的實際含水率進行測試，然后對不同含水率的巖石試樣進行膨脹力測試。通過最小二乘法對膨脹力與含水比關系曲線進行擬合，如圖6所示。

圖6 膨脹力與含水比相關關系曲線圖

從圖6可以看出，泥巖樣品的膨脹力值與試驗前含水比存在較好的線性關系，線性相關系數R2均大于0.98。當試驗前試樣含水率為0時，膨脹力達到最大值，隨著含水比的增大，膨脹力值減小，當試驗前含水比達到100%，即試件含水達到飽和時，膨脹力值最小，接近0。這說明天然含水狀態巖石試樣的含水飽和程度，即含水比的大小對巖石膨脹力試驗結果的影響顯著。試驗過程中應對試驗前巖石的含水狀態進行規定，或要求試驗報告除給出膨脹力值外，還應給出飽和吸水率和含水率值。實際應用過程中，應綜合考慮含水比對膨脹性判定的影響。

2.3 膨脹力、飽和吸水率、自由膨脹率相關關系分析

飽和吸水率試驗和自由膨脹率試驗同步于膨脹力試驗進行，共進行了57組試驗。飽和吸水率和自由膨脹率均為巖石烘干狀態下的試驗結果，試驗前巖石的含水狀態為烘干狀態，巖石本身的含水狀態對這兩個參數的試驗結果沒有影響。然而，當飽和吸水率和自由膨脹率與膨脹力同時作為巖石膨脹性的判定指標時，其必然存在相關性。

巖石飽和吸水率與烘干狀態和風干狀態下膨脹力值的相關關系曲線如圖7所示。從圖7可以看出，烘干狀態和風干狀態下，巖石膨脹力值與巖石的飽和吸水率存在遞增關系，烘干狀態下的相關系數R2為 0.735 7，風干狀態下的相關系數R2為 0.565 8，即隨著巖石飽和吸水率的增大，巖石的膨脹力值增大。

圖7 巖石飽和吸水率與膨脹力的相關關系圖

巖石自由膨脹率與飽和吸水率的相關關系曲線如圖8所示。從圖8可以看出，巖石自由膨脹率與巖石的飽和吸水率存在線性遞增關系，相關系數R2為 0.735 7，即隨著巖石飽和吸水率的增大，巖石的自由膨脹率增大。這與巖石膨脹力與飽和吸水率的相關關系一致，其原因在于飽和吸水率直接反應了巖石的密實程度和孔隙率情況，飽和吸水率越大，巖石孔隙率越大，烘干狀態下，巖石內部孔隙中水分全部排出，吸水量越大，產生的吸水膨脹越顯著。

圖8 巖石自由膨脹率與飽和吸水率的相關關系圖

2.4 膨脹力與空孔率的相關關系分析

膨脹力與飽和吸水率的相關關系、自由膨脹率與飽和吸水率的相關關系、膨脹力與含水比的相關關系等分析結論均表明：膨脹力試驗前巖石樣品內部空孔率越大，巖石的膨脹力越大。利用全部泥巖試驗數據，計算巖石膨脹力試驗前空孔率(即沒有被水分填充的孔隙可填充水的質量占巖石質量的百分比)，計算方法如公式(1)所示。

n=ωsa-ω

(1)

式中：n——空孔率(%)；

ωsa——飽和吸水率(%)；

ω——含水率(%)。

繪制膨脹力與空孔率關系曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，巖石的膨脹力隨著空孔率的增大而增大，但相關性較差，相關系R2僅為0.344。

圖9 巖石膨脹力與空孔率的相關關系圖

利用巖石膨脹力與含水比的相關關系分析的試驗(45號、46號泥巖在6種含水率下的膨脹力試驗)數據進行巖石膨脹力與巖石空孔率的相關關系擬合，結果如圖10所示。

圖10 單組巖石膨脹力與空孔率的相關關系圖

從圖10可以看出，對于材質較為均勻，一致性較好的巖石，膨脹力與空孔率的相關關系較好，相關系數R2為0.98以上。在實際應用中，如能對材質較為均勻，一致性較好的一類巖石建立膨脹力與空孔率的相關關系方程，則可通過關系方程獲得任何含水狀態的膨脹力值。

由此可見，巖石的密實程度或巖石的空孔率是影響巖石膨脹性的決定性因素。飽和吸水率是巖石密實程度及孔隙率的表征，含水率是巖石內部孔隙被填充程度的表征。空孔率是飽和吸水率與含水率之差，空孔率越大，則巖石內部孔隙越多，密實程度越差，膨脹力測試值越大，對工程穩定性越不利。

3 結論

本文通過巖石含水狀態對巖石膨脹力試驗結果的影響研究，得出以下主要結論：

(1)硬質巖(如板巖、花崗巖、灰巖、石英巖、玄武巖等)在任何含水狀態下均沒有膨脹力，為非膨脹巖。

(2) 巖石樣品的含水狀態對膨脹力測試值的影響顯著，烘干狀態和風干狀態的膨脹力測試值明顯高于飽和狀態的膨脹力測試值。烘干或風干狀態的巖石因內部水分排盡，再次遇水后，會出現持續膨脹的趨勢，風干狀態下的膨脹力平均值是飽和狀態的83.0倍，烘干狀態下的膨脹力平均值是飽和狀態的77.6倍。鑒于含水狀態對巖石膨脹力試驗結果影響較大，試驗過程中應對試驗前巖石的含水狀態進行規定，或得出不同含水狀態下膨脹力測試值的變化規律，以免含水狀態對試驗結果及膨脹性判定產生影響。

(3)長時間的干燥環境致使巖石的自然風干會導致巖石內部毛細水更充分地排出，當巖石再次吸水時，毛細水的吸入使膨脹力更大，其危害性較烘干狀態更大。

(4) 巖石的含水率與飽和吸水率的比值表征著巖石含水狀態的飽和程度。天然狀態巖石的含水情況不盡相同，膨脹力測試值隨著試件初始含水比的增大而減小。

(5) 飽和吸水率直接反應了巖石的密實程度和孔隙率情況，飽和吸水率越大，巖石孔隙率越大。烘干狀態下，巖石內部孔隙中水分全部排出，吸水量越大，產生的吸水膨脹越顯著。

(6) 巖石的密實程度或巖石的空孔率是影響巖石膨脹性的決定性因素。空孔率越大，巖石膨脹力測試值越大，對工程穩定性越不利。